Classificação dos corantes reativos

Os corantes reativos podem ser classificados de acordo com sua estrutura química (antraquinona, azo etc.) ou com seu grupo reativo. Os grupos cromóforos e reativos mais utilizados serão apresentados a seguir.

2.3.1.1. Grupos cromóforos 2.3.1.1.1. Azo

É a classe mais importante de corante, representa 50% dos corantes comerciais. Corantes azo são caracterizados pela ligação N=N, estrutura responsável pela riqueza de cor (LAU et al., 2014). Estes corantes são produzidos pela reação de acoplamento entre um sal de diazônio com anéis ativados de fenóis e arilaminas. As reações de acoplamento dos sais de diazônio são tipicamente substituições aromáticas, em que o íon diazônio positivamente carregado reage com o anel rico em elétrons do fenol ou de uma arilamina. Estes produtos são largamente utilizados como corantes principalmente por causa da conjugação estendida do sistema aromático π que faz com que estes compostos absorvam luz no visível (MURRY, 2005). Na Figura 4, é apresentada a estrutura do corante diazo Preto reativo 5.

Figura 4- Estrutura do corante diazo Preto reativo 5.

Fonte: www.worlddyevariety.com/reactive-dyes

2.3.1.1.2. Antraquinona

É a segunda classe de corante mais utilizada, possui o grupo cromóforo antraquinona. Estes corantes são baseados na 9,10- antraquinona, a qual é incolor. Para produzir corantes comerciais são utilizados doadores de elétrons como aminas e hidroxilas. Estes grupos podem ser introduzidos em uma ou mais posições (CAMPOS, 2010).

Corantes de antraquinona têm recebido atenção, principalmente por causa do sistema elétron π conjugado, boas propriedade óticas e estabilidade térmica, que permitem que estes corantes sejam utilizados em diversas aplicações como dispositivos fotônicos (PRAMODINI; POORNESH, 2014). Na Figura 5, é apresentada a estrutura do corante de antraquinona Azul reativo 19.

Figura 5- Estrutura do corante antraquinona Azul reativo 19.

2.3.1.2. Grupos Reativos

Os grupos reativos podem ser do tipo triazina, vinil e pirimidina. Existem corantes que apresentam mais de um grupo na mesma molécula podendo ser bi, tri e polifuncionais.

De acordo com os grupos ligados na molécula do corante este recebe uma denominação como remazol (grupos ligantes SO3 ligados numa molécula de vinil obtendo um composto vinilssulfona) (KIMURA, 2009). Na Figura 6, são apresentados os principais grupos reativos utilizados no tingimento de fibras celulósicas.

Figura 6- Principais grupos reativos utilizados no tingimento de fibras celulósicas.

Fonte: Kimura (2001).

2.4. Enzimas

Enzimas são macromoléculas de origem proteica que catalisam uma série de reações biológicas. A especificidade das enzimas é maior do que qualquer catalisador químico já criado pelo homem.

A atividade enzimática é o quanto efetiva uma enzima é como catalisador. A atividade está relacionada com o formato tridimensional da proteína, especificamente com seu sítio ativo que é a parte da enzima responsável pela catálise. Toda enzima possui um sitio ativo, esse contém aminoácidos cujas cadeias laterais formam uma superfície tridimensional complementar ao substrato (NELSON; COX, 2000). Em

alguns estudos é possível observar através da difração de raio X a parte onde o substrato se liga. Na Figura 7, é apresentada uma representação esquemática da estrutura cristalina da Horseradish peroxidase obtida através de difração de raio X, o grupo heme é mostrado no centro e em vermelho é apresentado o átomo de ferro, as esferas pretas são íons cálcio.

Figura 7- Representação esquemática da estrutura cristalina da

Horseradish peroxidase obtida através de difração de raio X.

Fonte: http://chemwiki.ucdavis.edu/Biological_Chemistry/Catalysts/Case_ Studies/Horseradish_Peroxidase

A União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular (IUBMB) classificam as enzimas em seis grandes classes, e cada uma dessas em subclasses de acordo com o tipo de reação catalisada.

As enzimas são classificadas em transferases, que catalisam reações de transferências de grupos como acila, açúcares, fosforiza; hidrolases, que catalisam hidrólises de ligações; liases, que catalisam reações de adição, geralmente com HX a dupla ligação; isomerases, que catalisam transferência de grupos dentro da molécula produzindo isômeros; ligases, que catalisam a formação de ligações C-O, C-S, C-C e de ésteres de fosfato e oxirredutases, que são enzimas que catalisam reações através da transferência de elétrons, ou seja, reações de oxirredução (NELSON;COX, 2000).

Neste trabalho foi utilizada uma enzima da classe das oxidorredutases, mais especificamente a peroxidase, que é uma das

enzimas mais utilizadas atualmente para realizar degradação de efluentes contendo compostos aromáticos entre outras aplicações. 2.4.1 Peroxidases

Peroxidases são enzimas da classe das oxidorredutases produzidas por um grande número de micro-organismos e plantas. Essas enzimas catalisam uma série de reações biológicas, porém todas requerem a presença de H2O2 (SI; CUI, 2013). Devido à grande estabilidade, as peroxidases possuem a capacidade de degradar uma ampla variedade de compostos entre estes se destacam os corantes (ŠEKULJICA et al., 2015) e os fenóis (ALEMZADEH; NEJATI, 2009). As peroxidases classificam-se em duas superfamílias: as derivadas de plantas e de animais. A superfamília planta peroxidase também pode ser dividida em três subclasses, a classe I formada por peroxidases intracelulares, a classe II por peroxidases fúngicas e a classe III pelas plantas peroxidases, sendo a Horseradish peroxidase o exemplo mais conhecido (HUSAIN, 2012;VEITCH, 2004).

A Horseradish peroxidase ou também denominada peroxidase da raiz forte (HRP, EC 1.11.1.7) tem sido utilizada na remoção de contaminantes aromáticos aquosos, principalmente porque ela mantém sua atividade sobre uma ampla gama de pH e temperatura. Uma vez ativada por peróxido de hidrogênio, HRP pode catalisar a oxidação uma variedade de compostos tóxicos incluindo compostos aromáticos, fenóis, bifenois, anilinas, benzidinas e compostos heteroaromáticos (GUELLI; FORGIARINI; ULSON DE SOUZA, 2007; WAN et al., 2012).

Segundo Córdoba, Magario e Ferreira (2012) o ciclo catalítico da enzima HRP ocorre em três etapas, conforme apresentado na Figura 8. Na primeira etapa do ciclo a enzima na forma férrica é oxidada pelo H2O2, formando um intermediário (Composto I), a enzima oxidada é então reduzida à sua forma nativa (Composto II) formando um radical livre. Na última etapa a transferência de elétrons entre substrato e enzima faz com que essa retorne a sua forma inicial (Composto III).

Figura 8- Ciclo catalítico da peroxidase.

Fonte: http://chemwiki.ucdavis.edu/Biological_Chemistry/Catalysts/Case_ Studies/Horseradish_Peroxidase

Segundo Wang, Si e Zhao (2012), oxidases não específicas como peroxidases têm grande potencial em muitos processos industriais, tais como branqueamento de polpa de papel, funcionalização, biorremediação, aplicações na indústria têxtil e biotecnológicas.

Existem vários trabalhos reportados na literatura sobre o uso de peroxidases solúveis de diversos tipos de fontes vegetais, fúngicas e animais para remover corantes de diversas classes com eficiência e na maioria dos casos em tempos relativamente baixos de reação. Na Tabela 2, é apresentado um resumo de alguns dos principais trabalhos encontrados na literatura.

Tabela 2 - Resumo de trabalhos da literatura de remoção de corante com peroxidase. Referência Enzima peroxidase Corante pH tempo (min) D (%) Silva et al. (2013 a) Peroxidase da soja Azul remazol brilhante R 6,0 13,0 86,0 Chiong et al. (2016) Peroxidase da soja Alaranjado de metila 5,0 60,0 81,4 Jamal; Pandey; Qidwai (2010) Planta Trichoshes diocia Vermelho disperso 19 Preto disperso 9 4,0 60,0 79,0 60,0 Yousefive; Hamid-Reza (2010) Fungo Coprinus cinereus Ácido laranja 7 9,0 1,0 100,0 Šekuljica et al. (2015) HRP Ácido Azul 225 Ácido violeta 109 5,0 4,0 32,0 15,0 89,4 94,7 Ma et al. (2014) Fungo Ganoderma sp. En3 Laranja reativo 16 5,0 5760,0 95,0 Córdoba; Magario; Ferreira (2012) HRP Laranja II 9,0 60,0 92,0

2.4.1.1. Degradação de corantes com enzimas: um estudo dos subprodutos

Existem na literatura muitos trabalhos sobre degradação de corantes com enzimas de diversas fontes vegetais, animais e fúngicas, além de trabalhos utilizando bactéria e outros micro-organismos. Os mecanismos de degradação enzimática de corante reativo ainda não são bem descritos, porém vêm crescendo o interesse em elucidar os

mecanismos das reações enzimáticas, especialmente por causa da toxicidade dos produtos resultantes.

Silva et al. (2012 b) realizaram a descoloração do corante de ftalocianina azul reativo 21 (RB 21) utilizando a peroxidase do nabo, foi obtida uma degradação de 57% em 50 min de contato. A reação foi estudada e os autores propuseram um esquema de degradação do corante RB 21, através da apresentação dos metabólitos obtidos por espectroscopia de massa. Segundo os autores ocorre a quebra das ligações Cu-N do anel do complexo metálico, resultando em dois metabólitos. Nesse processo foi observado um aumento da toxicidade, que provavelmente ocorre devido à liberação do Cu2+ em solução. Na Figura 9, é apresentado o esquema de degradação do corante RB 21 pela enzima peroxidase do nabo.

Figura 9- Esquema de degradação do corante Azul 21 pela peroxidase do nabo.

Corantes que contém cobre em sua estrutura são amplamente utilizados nas indústrias têxteis. No estudo de Silva et al. (2012 b) foi observado que com a ruptura do anel ocorre a liberação do metal tóxico Cu2+ em solução. Porém, os autores ressaltam que o cobre presente no efluente final não seria um problema, uma vez que o cobre pode ser facilmente removido por precipitação.

Corantes são estruturas complexas que em presença de enzima podem gerar vários intermediários como demostrado no estudo realizado por Goszczynski et al. (1993), que realizou a degradação de diferentes compostos orgânicos tóxicos e perigosos ao meio ambiente, inclusive corantes azo, utilizando fungo da decomposição branca. Após estas remoções foram encontrados 12 metábolitos, sendo que a clivagem assimétrica deu origem a quinona e diazeno, já a clivagem simétrica resultou na formação de monoimina, quinona e derivados nitrosos. Os intermediários instáveis foram submetidos a processo redox fornecendo 11 novos produtos e amônia.

MC Mulan (2001 apud SINGH; SINGH; SINGH, 2015, p. 27) realizaram a degradação de corante azo sulfonado. Foi proposto o mecanismo de decomposição do corante. Os compostos apresentados em parênteses não foram identificados, porém não deixaram de ser essenciais para explicar o mecanismo de degradação destes corantes. Na primeira etapa R1=R2=B= grupo carboxila, na segunda etapa R1= H, R2= OCH e B= NH. [2 a] 2,6- dimetil-1,4-benzoquinona, [4a] ácido 4- nitrobenzeno sulfônico, [6 b] metoxi-hidroquinona, [7b] 2-metoxi-4- aminofenol, [8a] ácido sulfanílico, [8b] sulfonilamida, [9a] ácido 4- hidroxibenzeno-sulfônico, [9b] 4-hidroxi-benzeno-sulfanilamida, [10 a] ácido benzeno-sulfônico, [10b] benzeno-sulfonamida, [11a]ácido 4-(4- hidroxi-fenil-azo) benzeno sulfônico, [12] amônia. Na Figura 10, é apresentado o mecanismo de degradação de corante azo sulfonato por peroxidase.

Figura 10- Mecanismo de degradação do corante azo sulfonato por peroxidase.

Fonte: MC MULAN (2001 apud SINGH; SINGH; SINGH, 2015, p. 27)

Entre os principais grupos presentes nos subprodutos de degradação pode-se destacar as quinonas, que já tinham sido descritas como subproduto no trabalho de Goszczynski et al. (1993). As quinonas são substâncias orgânicas derivadas do benzeno, naftaleno e antraceno. A benzoquinona apresenta duas carbonilas em um anel insaturado de seis átomos de carbono em posições orto ou para. Alguns integrantes deste grupo apresentam alto poder redox, participando em reações enzimáticas e não enzimáticas e formando como subproduto de redução derivados da hidroquinona. Esses subprodutos podem ser tóxicos ou reagir com oxigênio molecular formado um radical superóxido e dando origem a um novo ciclo (SOUSA, 2012).

Também presentes entre os subprodutos de degradação os derivados do ácido sulfônico e sulfanoamida são compostos

antimicrobianos muito utilizados na medicina como antibióticos. Como possuem alta solubilidade em água, são pouco absorvidos por materiais sólidos, além de serem resistentes à foto e termo degradação (CARVALHO, 2013).

Apesar das peroxidases serem utilizadas em muitos estudos de remoção de corantes, estas enzimas ainda exibem algumas limitações para tratar grandes volumes de efluentes, como por exemplo, a inibição da atividade, estabilidade térmica, ataque por proteases e até mesmo o custo do biocatalisador (GHOLAMI-BORUJENI et al., 2011; AKHTAR et al., 2005; SILVAet al., 2013).